【模塊系列化多功能數(shù)控機(jī)床】
1 研制背景及意義
作為機(jī)械及其相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，必然要接觸數(shù)控機(jī)床，而且機(jī)械加工制造以及機(jī)械制圖等是必不可少的課程，金工實(shí)習(xí)更是不可或缺。但是由于數(shù)控機(jī)床昂貴且占地面積大，大部分高校沒有足夠的經(jīng)費(fèi)和場所來置辦足夠?qū)W生使用的數(shù)控機(jī)床。因此學(xué)生實(shí)習(xí)時看得多做得少，很少有親自動手的機(jī)會。這就導(dǎo)致學(xué)生對于數(shù)控車床、銑床等機(jī)床沒有清楚的認(rèn)識，對一些基本的操作技能更是生疏。在現(xiàn)在的高校環(huán)境下讓每個同學(xué)都能真正的操作并熟悉數(shù)控機(jī)床根本不可能。但數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)的加工母機(jī)和國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)，傳統(tǒng)機(jī)床落后效率低下，我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)起步較晚處于發(fā)展中階段，因此急缺數(shù)控機(jī)床方面的人才，這對高校提出了更高的要求。鑒于目前市場上沒有這種小型廉價(jià)的供學(xué)生學(xué)習(xí)的小型數(shù)控車銑教具設(shè)備，我們研發(fā)了這一款模塊化多功能數(shù)控機(jī)床教具，它是一款很好的入門級教具。該教具具備了數(shù)控車床、數(shù)控銑床、車銑復(fù)合和五軸加工的功能，是一個一機(jī)多用、性價(jià)比極其高的機(jī)電教具。
2工作原理
數(shù)控機(jī)床教具包括三個直線運(yùn)動坐標(biāo)軸和兩個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動坐標(biāo)軸，分別是X軸、Y軸、Z軸以及A軸(車床主軸)和B軸，x、y、z軸分別由聯(lián)軸器通過滾珠絲杠由步進(jìn)電機(jī)控制;A軸(車床主軸)由一個步進(jìn)電機(jī)連接的2個帶輪通過同步帶傳動實(shí)現(xiàn)控制;B軸通過步進(jìn)電機(jī)控制蝸輪蝸桿的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)盤上車刀和銑刀的轉(zhuǎn)換以及刀具的不同旋轉(zhuǎn)角度。本裝置的傳動原理如圖1所示。
控制部分采用上位機(jī)(電腦)通過一個25針的并口傳給下位機(jī)(128細(xì)分驅(qū)動器)脈沖信號，進(jìn)而傳給步進(jìn)電機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，從而控制滾珠絲杠、同步帶、蝸輪蝸桿的運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)。
3 設(shè)計(jì)方案
3.1總體方案設(shè)計(jì)
在方案設(shè)計(jì)階段，以鋁作為主要材料，這樣質(zhì)量輕便又保證了足夠的加工強(qiáng)度。用價(jià)格低量、能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制的步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)床運(yùn)動。為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的簡單以及功能的多樣化，我們將各個部分模塊化，主要包括x軸、y軸、z軸、A軸(車床主軸)及繞y軸旋轉(zhuǎn)的B軸。作為一種教具，一方面可在教室實(shí)現(xiàn)演示功能，另一方面可使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)、編程、加工物品;或自主拆卸安裝。
3.2各軸設(shè)計(jì)簡介
XYZ三軸為直線坐標(biāo)軸，主要由滾珠絲杠、光滑導(dǎo)軌、直線滑塊、軸承等各部分組成。滾珠絲杠保證了重復(fù)定位的精度，最高可達(dá)0.05mm。A軸和B軸為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸。A軸在此處也稱為車床主軸，它主要由同步皮帶輪、同步皮帶、三爪卡盤組成。同步皮帶保證了準(zhǔn)確恒定的傳動比，而且具有效率高、緩沖減震的特點(diǎn)。此處我們用的傳動比為1.6。B軸起到刀庫的作用，車刀和銑刀安裝在旋轉(zhuǎn)盤上。我們用傳動比為1:30的精密蝸輪蝸桿代替了A軸的同步帶，因?yàn)榫軠u輪蝸桿具有自鎖性，且能夠保持精密分度，以實(shí)現(xiàn)刀具的精確旋轉(zhuǎn)角度。
3.3控制部分
制部分我們主要采用步進(jìn)電機(jī)和Mach軟件進(jìn)行控制各個軸的運(yùn)動，而這僅需一臺普通電腦即可，在實(shí)驗(yàn)室和教室都是具有一臺電腦的，因此控制非常容易實(shí)現(xiàn)。為了便于攜帶，我們做了一個專門的控制箱。Mach軟件是一款開放性的基于Windows平臺的數(shù)控軟件，采用國際通用的G代碼，與市面上流行的西門子等機(jī)床所用代碼相同，最多可以控制六軸聯(lián)動。具體控制細(xì)節(jié)就是上位機(jī)(電腦)通過一個25針的并口傳給下位機(jī)(128細(xì)分驅(qū)動器)脈沖信號，進(jìn)而傳給步進(jìn)電機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，從而控制滾珠絲杠、同步帶、蝸輪蝸桿的運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)。這是我們B軸刀具旋轉(zhuǎn)一度所需脈沖數(shù)的計(jì)算過程： 200×128x30÷360×1=2133.333333
200為步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周所需的脈沖數(shù)
128為此處所使用的脈沖細(xì)分?jǐn)?shù)
30為蝸輪蝸桿的傳動比
3.4功能簡介
該教具能實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床、數(shù)控銑床、車銑復(fù)合和五軸加工四種不同的功能。第一：數(shù)控車床，車床主軸的旋轉(zhuǎn)作為主運(yùn)動，以車刀和A軸組合成車床，能實(shí)現(xiàn)車外圓、端面和螺紋等。第二：數(shù)控銑床，以主軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)作為主運(yùn)動，以銑刀作為刀具加工在卡盤上或在臺鉗夾具上的工件，能實(shí)現(xiàn)加工孔、鍵槽、平面等。第三：車銑復(fù)合，一次裝夾工件，通過一次編程，先后實(shí)現(xiàn)車和銑的操作，能保持工序集中、消除(或減少)工件重新安裝定位誤差，提高加工精度。第四：五軸加工，通過Mach軟件控制五個軸的協(xié)調(diào)運(yùn)動以加工復(fù)雜曲面。
表1列出了該教具所具備的4中基本功能。
表1功能介紹
功能功能簡介實(shí)物圖或模型圖
數(shù)控車床通過卡盤將加工的工件裝卡在主軸上，由步進(jìn)電機(jī)在Mach軟件的控制下，驅(qū)動主軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時夾具做直線運(yùn)動，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床的功能。
數(shù)控銑床通過夾具將工件夾持住，由絲杠帶動可以做直線運(yùn)動，銑刀在電機(jī)的驅(qū)動下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，2個運(yùn)動相互配合，通過計(jì)算機(jī)編程，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控銑床的功能。
五軸加工將A軸的刀具旋轉(zhuǎn)不同的角度，與x軸、y軸、z軸和A軸組成五軸加工，通過計(jì)算機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜曲面的五軸加工。
車銑復(fù)合以B軸的旋轉(zhuǎn)盤帶動 車刀和銑刀的轉(zhuǎn)換，通過一次裝夾、一次編程便可以形成車銑復(fù)合。達(dá)到一次裝夾先后完成車銑的運(yùn)動。
4 主要創(chuàng)新點(diǎn)及特點(diǎn)
4.1主要創(chuàng)新點(diǎn)
1.該機(jī)床實(shí)現(xiàn)四種不同的功能，結(jié)構(gòu)簡單，一機(jī)多用，性價(jià)比極其高。
2.實(shí)現(xiàn)了功能模塊化和教學(xué)模塊化。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了不同的功能，可以適用于不同層次學(xué)生和不同教學(xué)計(jì)劃的使用要求。低年級可以進(jìn)行簡單的車銑操作，高年級學(xué)生可以學(xué)習(xí)多軸數(shù)控編程。
4.2 主要特點(diǎn)
1.該教具以機(jī)械設(shè)計(jì)為主，涉及機(jī)電控，復(fù)合現(xiàn)代機(jī)床的發(fā)展方向。同時符合機(jī)床的復(fù)合化和多軸化的發(fā)展趨勢。2 .控制部分采用MACH軟件，只要一臺普通的計(jì)算機(jī)便可實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床、銑床、車銑復(fù)合和五軸加工的編程操作，價(jià)格低廉，操作靈活。3.應(yīng)用范圍廣。機(jī)械及其相關(guān)專業(yè)都可以使用，因此在高校有非常廣的應(yīng)用前景。
4.增加了攝像頭。有利于課堂教學(xué)，使學(xué)生清晰看到機(jī)床的運(yùn)動結(jié)構(gòu)。
5.研究意義及應(yīng)用前景
5.1研究意義
1.使學(xué)生理論與實(shí)踐完美結(jié)合。通過我們的機(jī)床，學(xué)生可以把他大學(xué)期間所學(xué)的課程全部聯(lián)系起來，從畫圖設(shè)計(jì)的CAD、Pro/e、SolidWorkers到編程的MasterCam，到制造技術(shù)中的機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)，到出零件的機(jī)原機(jī)設(shè)等，因此我們機(jī)床可以應(yīng)用于很多大學(xué)課程。
2.在金工實(shí)習(xí)中還可讓學(xué)生自己編程加工自己想要的東西，這樣大大提高了他們學(xué)習(xí)機(jī)械的興趣。
3.讓學(xué)生自己測繪制作該機(jī)床或拆卸組裝，提高他們的動手和裝配能力。
5.2應(yīng)用前景
1.主要應(yīng)用就是向高校推廣，應(yīng)用于課堂教學(xué)和金工實(shí)習(xí)中，減少經(jīng)費(fèi)開支和占地面積，提高學(xué)生工程素質(zhì)。
2.繼續(xù)升級為六軸。
完成單位：天津工業(yè)大學(xué) 工程實(shí)訓(xùn)中心
作品名稱：模塊系列化多功能數(shù)控機(jī)床
